20
ECO2 project number: 265847 1 ECO2, D3.2 Technical report on chemical sensors performance lead beneficiary MPI (6) other contributing beneficiaries GEOMAR (1), UNIRoma1CERI (12) S. Schutting and D. de Beer The report will present an overview of sensors that are useful for the study of seeps, and present a detailed comparison of commercial and prototype CO 2 and pH sensors. CO 2 sensors: 1) Severinghaus CO 2 sensors (Microelectrodes ltd), 2) the HydroCCO 2 logger sensor (CONTROS GmbH), 3) the “GasPropCO 2 ” (developed by the team coordinated by Prof. S. Lombardi; Sapienza University of RomeCERI), 4) the MuFo (Multifiber Optode logger, developed in this project in a collaboration between Prof. I. Klimant University Graz and the MPIMM). pH sensors: 1) glass electrodes (Microelectrodes ltd), 2) optodes (developed in this project in a collaboration between Prof. I. Klimant University Graz and the MPIMM), 3) SeaFET (ionselective fieldeffect transistor, Satlantic). Introduction We will report on the performance of chemical sensors that are useful for research and routine monitoring of CO 2 seeps. Seeps are focused outlets in the seafloor through which gases and liquids are emitted from deep sediments into the watercolumn. The contents from natural seeps can be products of organic degradation, either biologically or thermally driven. Seeps are found in subduction zones, where oceanic or continental plates undergo metamorphic transformations. The products of this can be released to the biosphere via volcanism and hot seeps (e.g. black smokers). Alternatively, in seafloor formed by rapid sedimentation mud volcanoes are commonly formed by sediment compression and dewatering. Both types of seeps are strongly enriched by either thermally or biologically formed reduced substances. Finally, possibly human induced seepage is conceivable, not only by exploitation of oil and gas fields. The ECO2 project investigates the possibilities and consequences of CO 2 injection deep into the seafloor, as a countermeasure against global climate change due to use of fossil fuels. A concern is that the deep reservoirs may leak the CO 2 to the water column. This of course defeats the purpose of the exercise. Moreover, the concentrated CO 2 seepage may result in damage to the local ecosystem, especially in the deep sea, where the high pressure may lead to lethal CO 2 concentrations. As CO 2 is injected in depleted gas fields, also these seeps could be enriched in reduced substances. Seepage fluids and gases thus are often enriched in CO 2 , NH 4 + , Fe +2 ,H + ,H 2 S, H 2 , a variety of carbon compounds (e.g. CH 4 and aliphatics), and the temperature can be enhanced. These form thus the chemical and physical parameters that are relevant for seepage studies. More specifically, for the detection of seepage we could make good use of sensors for these parameters. Direct sensing of the compounds, especially in situ, has enormous advantages over analyses of retrieved samples. Often the compounds are reactive, and their short halflife make quantitative in water samples difficult. Secondly, the gas concentrations in and near seeps in the deep sea can be very high. Thus upon retrieval of the samples, outgassing can change the sample content drastically. Direct sensing avoids

D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

1    ECO2,  D3.2  Technical  report  on  chemical  sensors  performance    lead  beneficiary  MPI  (6)  other  contributing  beneficiaries  GEOMAR  (1),  UNI-­‐Roma1-­‐CERI  (12)    S.  Schutting  and  D.  de  Beer    The  report  will  present  an  overview  of  sensors  that  are  useful  for  the  study  of  seeps,  and  present  a  detailed  comparison  of  commercial  and  prototype  CO2  and  pH  sensors.    

CO2  sensors:  1)  Severinghaus  CO2  sensors  (Microelectrodes  ltd),  2)  the  HydroC-­‐CO2  logger  sensor  (CONTROS  GmbH),  3)  the  “GasPro-­‐pCO2”  (developed  by  the  team  coordinated  by  Prof.  S.  Lombardi;  Sapienza  -­‐  University  of  Rome-­‐CERI),  4)  the  MuFo  (Multifiber  Optode  logger,  developed  in  this  project  in  a  collaboration  between  Prof.  I.  Klimant  University  Graz  and  the  MPI-­‐MM).      

pH  sensors:  1)  glass  electrodes  (Microelectrodes  ltd),  2)  optodes  (developed  in  this  project  in  a  collaboration  between  Prof.  I.  Klimant  University  Graz  and  the  MPI-­‐MM),  3)  SeaFET  (ion-­‐selective  field-­‐effect  transistor,  Satlantic).  

 Introduction  We  will  report  on  the  performance  of  chemical  sensors  that  are  useful  for  research  and  routine  monitoring  of  CO2  seeps.    Seeps  are  focused  outlets  in  the  seafloor  through  which  gases  and  liquids  are  emitted  from  deep  sediments  into  the  watercolumn.  The  contents  from  natural  seeps  can  be  products  of  organic  degradation,  either  biologically  or  thermally  driven.  Seeps  are  found  in  subduction  zones,  where  oceanic  or  continental  plates  undergo  metamorphic  transformations.  The  products  of  this  can  be  released  to  the  biosphere  via  volcanism  and  hot  seeps  (e.g.  black  smokers).  Alternatively,  in  seafloor  formed  by  rapid  sedimentation  mud  volcanoes  are  commonly  formed  by  sediment  compression  and  dewatering.  Both  types  of  seeps  are  strongly  enriched  by  either  thermally  or  biologically  formed  reduced  substances.  Finally,  possibly  human  induced  seepage  is  conceivable,  not  only  by  exploitation  of  oil  and  gas  fields.  The  ECO2  project  investigates  the  possibilities  and  consequences  of  CO2  injection  deep  into  the  seafloor,  as  a  countermeasure  against  global  climate  change  due  to  use  of  fossil  fuels.  A  concern  is  that  the  deep  reservoirs  may  leak  the  CO2  to  the  water  column.  This  of  course  defeats  the  purpose  of  the  exercise.  Moreover,  the  concentrated  CO2  seepage  may  result  in  damage  to  the  local  ecosystem,  especially  in  the  deep  sea,  where  the  high  pressure  may  lead  to  lethal  CO2  concentrations.  As  CO2  is  injected  in  depleted  gas  fields,  also  these  seeps  could  be  enriched  in  reduced  substances.    Seepage  fluids  and  gases  thus  are  often  enriched  in  CO2,  NH4

+,  Fe+2,  H+,  H2S,  H2,  a  variety  of  carbon  compounds  (e.g.  CH4  and  aliphatics),  and  the  temperature  can  be  enhanced.  These  form  thus  the  chemical  and  physical  parameters  that  are  relevant  for  seepage  studies.  More  specifically,  for  the  detection  of  seepage  we  could  make  good  use  of  sensors  for  these  parameters.  Direct  sensing  of  the  compounds,  especially  in  situ,  has  enormous  advantages  over  analyses  of  retrieved  samples.  Often  the  compounds  are  reactive,  and  their  short  half-­‐life  make  quantitative  in  water  samples  difficult.  Secondly,  the  gas  concentrations  in  and  near  seeps  in  the  deep  sea  can  be  very  high.  Thus  upon  retrieval  of  the  samples,  outgassing  can  change  the  sample  content  drastically.  Direct  sensing  avoids  

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
areitz
Schreibmaschinentext
Deliverable Number D3.2: Technical report on chemical sensor Performance; WP3; lead beneficiary number 6 (MPI)
areitz
Schreibmaschinentext
Page 2: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

2    these  problems.  Moreover,  the  unlimited  number  of  measurements  that  can  be  done  with  sensors  allows  long  term  monitoring  and  detailed  distribution  measurements.  Sampling,  storage,  retrieval  and  analysis  of  water  samples  is  a  tedious  and  potentially  expensive  procedure,  only  recommended  for  those  compounds  that  cannot  be  quantified  by  sensors.  A  general  problem  for  long  term  deployment  of  sensors  is  biofouling,  the  formation  of  biofilm  on  the  sensing  surface.  They  are  layers  of  bacteria  embedded  in  extra-­‐cellular  polymeric  substances.  Firstly,  biofilms  form  a  diffusional  barrier,  making  the  sensors  slower.  Secondly,  the  active  biofilms  may  create  their  own  microenvironment,  typically  lower  in  O2  and  pH.  These  growing  biofilms  lead  to  drifting  and  unreliable  signals:  instead  of  measuring  in  the  water  column,  data  on  the  base  of  a  growing  biofilm  are  collected.  The  time  dynamics  of  drifting  depends  on  the  microbial  growth  rates,  thus  local  nutrient  and  temperature  conditions.  Biofouling  is  a  problem  that  can  occur  in  weeks.  It  is  not  a  problem  for  short  term  deployments  of  hours  to  days.  Several  measures  have  been  designed  to  fight  biofouling,  including  mechanical  wiping  and  chemical  treatments.  A  simple  method  to  avoid  biofouling  is  to  use  microsensors,  with  such  a  small  tip  size  that  no  biofilms  adhere  to  it.  Several  of  the  compounds  can  be  measured  with  microsensors  with  a  tip  of  ~10  micron  (O2,  H2S,  H2,  redox,  H+),  that  are  so  small  that  bacteria  can  not  adhere  to  it.  Only  for  long-­‐term  observations  we  have  to  consider  fouling.  Most  applications  involve  deployments  of  hours  to  days.  In  the  introduction  we  will  shortly  review  available  sensors,  and,  as  this  project  is  on  CO2  further  focus  on  CO2  and  pH  sensing.  We  will  not  discuss  the  novel  and  promising  lab-­‐on-­‐chip  development,  for  measurement  of  nutrients.    Short  overview  The  compounds  that  can  be  measured  with  various  types  of  sensors  in  the  deep  sea  (>2000  m)  are  CO2,  O2,  pH,  H2,  H2S,  redox,  CH4,  several  alkanes,  and  T.      1)  O2  can  be  measured  highly  reliably  with  optical  and  electrochemical  methods.    Optical  methods  rely  on  the  fluorescence  lifetime  or  fluorescence  intensity  of  a  fluorophore  quenched  by  oxygen.  Their  advantage  is  low  maintenance,  low  power  requirements  and  long  time  stability.  They  become  less  sensitive  at  higher  oxygen  concentrations,  and  are  typically  used  between  0-­‐100%  air  saturation,  with  a  detection  limit  of  approximately  1  µM.  The  signal  is  highly  sensitive  to  temperature,  which  must  be  measured  in  parallel  to  correct  the  calibration  algorithm  (the  Stern-­‐Volmer  equation).  There  are  no  water-­‐soluble  interfering  substances.  The  response  time  depends  on  the  stirring  speed,  fluorophore  layer/membrane  thickness  and  tip  size.  Pencil  sized  sensors  have  a  response  time  of  about  10  seconds,  in  microsensors  (<100  µm)  this  can  be  reduced  to  ca  1  second.  A  two  point  calibration  is  sufficient.  The  sensors  measure  partial  pressure,  thus  a  correction  for  the  ambient  salinity  is  needed  in  order  to  derive  the  dissolved  oxygen.    Suppliers  include  Aanderaa  (www.aadi.no),  Presens  (www.presens.de)  and  Pyroscience  (www.pyro-­‐science.com).  Aanderaa  sells  units  for  deep  sea  use  and  can  be  mounted  on  CTDs  and  other  moorings.  Presens  and  Pyroscience  so  far  supply  units  for  laboratory  use.  Ongoing  research  continuously  optimizes  the  chromophores  (Borisov  et  al.,  2010a;  Borisov  and  Klimant,  2007;  Borisov  et  al.,  2008;  Borisov  et  al.,  2010b).  The  sensors  from  Pyroscience  are  accurately  factory  calibrated,  and  can  be  used  as  supplied,  although  regular  checks  on  the  calibrations  must  be  recommended.  Regular  calibration  is  recommended  for  the  Aanderaa  optodes,  by  comparing  the  signal  with  Winkler  titrations.  Electrochemical  sensors  for  measuring  O2  in  water  are  of  the  Clark  type.  The  housing  contains  an  electrolyte  in  which  an  anode  and  a  cathode  are  placed.  Oxygen  enters  the  sensor  via  a  gas  

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 3: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

3    permeable  membrane  and  is  reduced  at  the  cathode.  The  signal  is  proportional  to  the  oxygen  partial  pressure,  thus  calibration  under  ambient  salinity  or  a  salinity  correction  is  needed.  The  sensors  consume  oxygen  and  the  macrosensors  are  stirring  sensitive.  However,  they  can  be  miniaturized  with  a  tipsize  of  <5  µm,  and  then  oxygen  consumption  and  stirring  sensitivity  is  insignificant.  The  life  time  of  oxygen  microsensors  is  approximately  1-­‐2  years  regular  recalibration  is  recommended.  Extremely  high  sulfide  levels  (>4  mM)  interfere  with  the  signal.  A  novel  development  is  a  Clark  microsensor  with  an  internal  calibration,  the  STOX  sensor(Revsbech  et  al.,  2011).  The  sensor  contains  a  second  cathode  that  prevents  entry  of  oxygen  into  the  sensor.  At  regular  intervals  the  second  cathode  is  polarized  to  re-­‐assess  the  zero  current.  The  STOX  sensor  has  a  detection  limit  of  <10  nM.  This  sensor  seems  very  useful  for  long  monitoring  stability  of  OMZ  waters.  Very  many  suppliers  for  Clark  type  oxygen  sensors  can  be  found.  Oxygen  microsensors,  including  the  STOX  sensor  can  be  purchased  from  Unisense  (www.unisense.com).    2)  pH  and  CO2  can  be  measured  optically  and  electrochemically.    pH:  The  electrochemical  principle  measures  the  potential  across  a  pH  permeable  membrane  that  separates  a  sample  and  a  well-­‐defined  buffer.  Thus,  a  reference  electrode  is  needed.  The  potential  follows  the  log-­‐linear  Nernst  equation,  a  two  point  calibration  is  sufficient.  The  range  of  glass  electrodes  is  from  pH  1-­‐11.  The  sensors  drift,  and  regular,  about  weekly,  recalibration  is  needed.  There  are  too  many  suppliers  of  pH  macrosensors  available  to  list  them  all.  Glass  pH  microsensors  can  be  obtained  from  Unisense,  with  a  tip  size  of  ~10  µm.  Minisensors,  with  a  tipsize  of  1  mm  are  available  from  Microelectrodes  Inc.  (www.microelectrodes.com),  that  however,  is  a  size  that  may  be  sensitive  to  biofouling.  Another  principle  is  the  ISFET.  An  ISFET  is  an  ion-­‐selective  field  effect  transistor  used  for  measuring  ion  concentrations  in  solution.  Here  the  current  through  the  transistor  will  change  when  the  ion  concentration  changes.  An  ISFET  electrode  sensitive  to  H+  ion  concentration  can  be  used  as  a  conventional  glass  electrode  to  measure  the  pH  of  a  solution.    pH  can  also  be  measured  optically.  The  principle  is  based  on  protonation/deprotonation  of  a  dye  or  a  PET  (photoinduced  electron  transfer)  group  in  the  chemical  structure  of  the  dye,  which  changes  its  optical  properties  corresponding  to  the  pH  changes.  Depending  on  the  dye  colorimetric  (via  absorption  or  reflection)  or  fluorimetric  read-­‐out  is  possible.  When  the  dye  shows  a  change  in  fluorescence  the  imaging  of  the  analyte  distribution  is  also  possible.  CO2:  The  Severinghaus  type  sensor  is  based  on  electrochemistry.  The  Severinghaus  electrode  consists  of  a  pH-­‐electrode  in  a  chamber  with  weak  buffer,  mostly  a  NaHCO3  solution.  Carbon  dioxide  enters  the  chamber  through  a  membrane  and  the  pH  change  according  to  the  equilibrium  CO2  +  H2O  ↔  H2CO3  ↔  H+  +  HCO3

-­‐    is  detected  by  the  pH  electrode  in  that  chamber.    The  Severinghaus  electrodes  (Severinghaus  and  Bradley,  1958)  show  linearity  in  a  range  between  1  and  11  kPa,  but  are  not  well  applicable  to  measure  low  pCO2  (e.g.  the  usual  marine  levels  of  about  0.04  kPa  or  400  µatm  or  1.36*10-­‐2  mM).  They  can  suffer  from  electromagnetic  interferences.    Today  optical  CO2  measuring  techniques  are  prevailing.  One  method  is  to  detect  and  quantify  CO2  molecules  within  an  equilibrated  gas  stream  by  means  of  direct  absorption  in  the  infra  red  (IR)  region  of  the  electromagnetic  spectrum  (Fietzek  et  al.,  2013).  Another  technique  is  an  indirect  measurement  making  use  of  the  pH  affecting  property  of  CO2  by  applying  spectrophotometry  within  an  equilibrated  pH-­‐sensitive  dye  solution  of  known  characteristics  (DeGrandpre  et  al.,  1995;  Fietzek  et  al.,  2013;  Lefèvre  et  al.,  1993).  Both  technologies  have  led  to  commercially  available  sensors.  An  overview  of  different  CO2  sensors  is  given  in  (Byrne  et  al.,  2010).  Another  optical  principle,  similar  to  the  oxygen  optodes,  is  under  development.  Highly  sensitive  sensors  suitable  for  marine  applications  based  on  that  principle  are  not  yet  commercially  available;  

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 4: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

4    less  sensitive  sensors  can  be  obtained  from  PreSens  (www.presens.de).  A  multiple  fibre  optics  device  -­‐  MuFO  (Fischer  and  Koop-­‐Jakobsen,  2012)  for  the  CO2  is  in  the  prototype  stage.  The  central  component  of  the  sensor  chemistry  is  a  pH-­‐sensitive  dye.  It  is  embedded  in  an  ethyl  cellulose  matrix  together  with  a  base,  tetraoctylammonium  hydroxide  (TOA-­‐OH).  According  to  the  equilibrium  CO2  +  H2O  +  Ind-­‐TOA+  →  Hind  +  HCO3

-­‐TOA+    the  indicator  dye  (Ind)  is  protonated  when  CO2  enters  the  sensing  layer  and  changes  its  spectral  properties.  The  emitted  light  is  then  guided  to  a  camera  via  waveguiding  fibres.  Pictures  are  taken  and  divided  in  red,  green  and  blue  channel.  Using  this  information  pCO2  can  be  analyzed.  

3)  H2  can  be  measured  by  many  methods,  such  as  MS,  thermoelectric,  electrochemical,  resistance  based,  optical,  and  acoustic.  For  a  review  see  (Hübert  et  al.,  2011).  Most  of  these  methods  are  not  easily  applicable  for  marine  studies.  Amperometrical  microsensors  (Unisense)  were  used  in  marine  studies  on  hot  vents.  The  sensitivity  to  H2S  can  be  approximately  10%  of  that  to  H2,  and  at  very  high  sulfide  levels  the  sensors  become  poisoned.  Recently,  a  sensor  was  developed  with  a  sulfide  trap  which  solved  the  problem  of  sulfide  interference  (pers.  comm.  Prof.  N.P.  Revsbech).  The  sensors  respond  linearly  to  concentration,  the  detection  limit  of  sensors  with  a  tip  size  of  10  µm  is  approximately  0.5  µM.  

4)  H2S  can  be  measured  by  three  electrochemical  principles.  Voltammetry  (Luther  III,  2002),  potentiometrically  (Revsbech  and  Jørgensen,  1986)  and  amperometrically  (Jeroschewski  et  al.,  1996).  All  have  been  used  in  marine  research,  potentiometry  even  for  long  time  deployments  (Le  Bris  et  al.,  2003).  Potentiometry  measures  only  S2-­‐  ions  and  amperometry  measures  only  H2S.  Total  sulfide  must  then  be  calculated  using  these  values  and  the  local  pH  and  the  equilibrium  constants  (Millero,  1986).  Therefore,  parallel  pH  sensing  is  mandatory.  Voltammetry  measures  total  sulfide,  no  parallel  pH  measurements  are  needed.  Which  method  is  used  may  be  a  matter  of  personal  preference,  and  what  one  is  used  to.    The  detection  limits  are  under  normal  marine  conditions  similar,  about  1-­‐10  µM.  The  potentiometric  electrode  is  very  simple  in  design:  a  silver  wire  coated  with  AgS.  They  can  easily  be  miniaturized  to  5  µm  (Kühl  et  al.,  1995).  Especially  at  low  sulfide  concentrations  the  sensor  has  a  long  response  time,  in  the  order  of  minutes.  A  possible  reason  for  concern  is  that  the  functioning  is  not  really  understood.  According  to  the  theory,  the  AgS  membrane  is  in  electrochemical  equilibrium  with  the  S2-­‐  concentration.  However,  the  S2-­‐  concentrations  are  normally  extremely  low,  as  the  pK  is  estimated  to  be  between  10-­‐15-­‐10-­‐19.  An  AgS  microsensor  immersed  in  a  pH-­‐neutral  strongly  sulfidic  solution  would  encounter  a  few  S-­‐2  ions  per  minute,  which  defeats  the  statistical  likelihood  that  a  signal  can  develop.  Yet  these  sensors  respond  reliably.  A  second  concern  is  the  large  uncertainty  of  the  pK  values.  Therefore,  the  sensors  must  be  calibrated  at  several  pH  values  in  seawater.  There  is  no  interfering  compound  reported.  The  amperometric  sulfide  sensors  are  always  microsensors.  Sulfide  enters  the  sensor  through  a  gas  permeable  membrane  and  is  immediately  oxidized  to  S0  by  the  Fe-­‐cyanide  in  the  electrolyte.  The  reduced  Fe  is  then  re-­‐oxidised  at  an  anode  very  close  to  the  tip,  and  the  resulting  current  is  linearly  proportional  to  the  H2S  concentrations.  The  sensor  can  be  used  for  3-­‐6  months.  The  dissolved  Fe-­‐catalyst  is  sensitive  to  light,  and  although  the  sensors  are  coated  by  black  paint  exposure  to  sunlight  should  be  avoided.  Disadvantage  is  that  at  high  pH  the  sensitivity  to  total  sulfide  decreases,  as  the  fraction  of  H2S  decreases.  Studies  are  thus  limited  to  pH  values  of  8.5  and  lower.  Suppliers  of  instruments  based  on  all  3  principles  can  be  found.    

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 5: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

5    5)  The  redox  potential  can  be  operationally  defined  as  the  potential  between  a  Pt  surface  and  a  reference  electrode.  This  is  not  the  potential  calculated  from  the  sum  of  the  redox  species,  as  many  species  do  not  react  with  Pt  or  are  out  of  equilibrium  (Stumm,  1984).  In  marine  environments  the  Pt  sensor  will  respond  to  H2,  H2S  or  HS-­‐1  and  Fe2+  by  giving  a  more  negative  signal.  It  hardly  responds  to  O2,  NO3

-­‐  and  SO42-­‐.  Whereas  no  quantitative  information  is  obtained  on  waterchemistry,  redox  

sensors  can  nicely  record  the  presence  of  seepage.  E.g.  one  can  trawl  a  logger  across  the  seafloor  and  see  the  seeps  as  significant  dips  in  the  redox  potential.    6)  CH4  and  alkanes  can  be  measured  in  situ  by  highly  sophisticated  equipment.  There  are  several  parallel  developments  of  in  situ  analyzers  based  on  Membrane  Inlet  Mass  Spectrometry  that  can  be  operated  to  a  depth  of  4000m(Camilli  and  Duryea,  2007;  McMutrtry  et  al.,  2005).  The  instruments  are  very  reliable,  but  expensive  and  require  special  expertise  for  the  operation  and  data  interpretation.    A  second  principle  is  the  use  of  non-­‐dispersive  infrared  spectrometry  (NDIR).  Several  companies  offer  a  methane  logger  that  is  easy  to  operate,  can  monitor  for  over  12  months  and  can  be  used  to  a  depth  of  4000  m  or  more.  Companies  are  CONTROS  GmbH  (www.contros.eu)  and  Franatech  GmbH  (www.franatech.com).  Initial  stability  problems  are  reported  to  be  solved.  Those  sensors  are  especially  suited  for  active  searching  for  seeps  as  described  above.      Detailed  overview  of  pH  and  CO2  sensing  in  the  marine  environment.  

We  will  present  a  detailed  description  of  the  operational  parameters  of  the  sensors  and  sensor  systems  as  listed  before  the  introduction.  Technical  datasheets  were  obtained  from  the  homepages  of  CONTROS  GmbH  (www.contros.eu)  and  Microelectrodes  Inc.  (www.microelectrodes.com).  Additionally  written  requests  via  email  were  sent  to  CONTROS  GmbH  to  Melanie  Herrmann.  Data  and  information  about  the  GasPro-­‐pCO2  probes  were  received  from  S.  Graziani  (Sapienza  University  of  Rome-­‐CERI).  Information  about  the  SeaFET  system  was  received  from  the  homepage  of  Satlantic  (www.satlantic.com)  and  via  email  from  their  customer  service.  We  will  complement  this  information  with  experiences  from  users.  In  2012  the  HydroC,  the  MuFO,  the  dissolved  CO2  probe  and  a  profiler  with  different  electrodes  were  tested  on  a  field  trip  at  Panarea,  Italy.  Here  the  feedback  of  the  diving  team  is  summarized.  In  2013  the  MuFO  device  was  used  for  a  lab  experiment  at  SAMS  Institute  in  Oban,  Scotland  and  the  feedback  of  the  users  is  also  summarized.  The  MuFO  system  and  the  GasPro-­‐pCO2  probes  are  prototypes,  and  are  still  under  development.  The  microelectrodes  and  the  HydroC  device  are  already  commercially  available.          Comparison  of  CO2  sensors:  In  the  following  the  different  CO2  sensors  are  described  in  detail  and  a  table  (Table  1)  showing  an  overview  of  the  technical  properties  is  also  added  in  the  end  of  this  section.  A  difficulty  in  the  comparison  is  that  the  companies  and  developing  scientists  often  provide  the  measuring  range  in  ppm,  without  specifying  which  ppm  is  meant:  mg  CO2/liter  or  volume  percent*10000  at  1  atmosphere.  We  recommend  to  use  µatm.  Concentrations  of  CO2  can  be  calculated  from  the  partial  pressure,  temperature  and  salinity.  The  accuracy  of  the  CO2  measurements  does  as  consequence  not  

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 6: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

6    only  depend  on  the  CO2  sensors,  but  also  to  the  accuracy  of  the  flanking  parameters  (T,  salinity,  pressure).  When  mentioned  concentration  ranges  are  given  at  20oC  and  3.5%  salinity.    

- HydroC  (CONTROS  GmbH)    

 Figure  1:  HydroC  device  from  CONTROS.  

 Principle:  The  HydroC  CO2  sensor  is  an  underwater  carbon  dioxide  sensor  for  in-­‐situ  and  online  measurements  of  dissolved  CO2,  which  is  commercially  available.  Dissolved  gas  molecules  diffuse  through  a  thin-­‐film  composite  membrane  into  the  detector  chamber,  until  equilibration  is  reached  between  the  gas  chamber  and  the  waterphase.  In  the  chamber  the  CO2  concentration-­‐dependent  IR  light  transmission  is  recorded.  To  shorten  the  response  time,  water  can  be  continuously  pumped  across  the  membrane  with  a  rate  of  100  ml/second.  The  logger  is  designed  to  measure  in  the  water  column.  A  specialized  surface  water  version  of  the  sensor  is  available.  The  HydroC  is  described  in  detail  in  (Byrne  et  al.,  2010;  Fietzek  et  al.,  2013).  Stability/drift:  The  system  is  very  stable  and  adaptive  for  long-­‐term  measurements  due  to  i.a.  its  capability  to  carry  out  regular  zero  gas  measurements  during  the  deployment  (so  called  zeroings).  However,  an  annual  recalibration  is  recommended  by  CONTROS.  Temperature  range:  Two  versions  are  available.  A  normal  version  with  a  temperature  range  from  +3  to  +30°C  and  an  arctic  version  with  a  temperature  range  from  -­‐2  to  +15°C.  Response  time:  The  response  time  (T63)  is  typically  smaller  1min,  the  t90  is  about  2.5  minutes.  The  exact  response  time  can  be  derived  anytime  during  the  deployment  by  analyzing  the  signal  recovery  after  one  of  the  regular  zeroings.  The  actual  temporal  resolution  can  be  higher  than  the  response  time  if  a  time-­‐lag-­‐correction  algorithm  is  applied  on  profiling  and  monitoring  data  (Fiedler  et  al.,  2013).  Measuring  range:  The  standard  measuring  range  is  from  200  to  1000  µatm  (6.8*10-­‐3  to  3.4*10-­‐2  mM).  If  required  the  device  can  be  calibrated  up  to  6000  µatm  (2.0*10-­‐1  mM).  Life  time:  During  annual  calibration  which  includes  maintenance  all  wearing  parts  of  the  sensor  are  renewed  if  necessary;  therefore  there  is  theoretically  no  life  time  limitation.  Maintenance:  The    power  consumption  of  the  standard  HydroC  is  approx.  300  mA  for  the  sensor  and  additionally  600  mA  for  the  water  pump  mentioned  above.  The  power  consumption  can  be  customized  by  using  the  intergrated  sleepmode  and  a  smaller  less  consumable  pump  as  well  as  by  adapting  the  temperature  control  settings  of  the  sensor.  The  HydroC  can  be  either  powered  by  cable  or  via  an  additional  battery  pack,  which  is  available  in  different  configurations  of  rechargeable  or  non-­‐rechargeable  batteries  depending  

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 7: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

7    

on  the  deployment  purpose.    If  a  rechargeable  solution  is  chosen  the  batteries  can  be  charged  via  a  cable,  i.e.  while  inside  the  battery  housing.  Instead  of  cleaning  a  membrane  by  physical  means,  it  should  be  exchanged  after  several  months  of  continuous  use  or  in  the  case  of  severe  fouling.  This  change  can  be  performed  by  the  user  himself.  The  HydroC  device  should  be  recalibrated  once  a  year  to  maintain  the  stated  accuracy  of  the  sensor  (recommendation  of  CONTROS).      Deployment:  CONTROS  offers  the  HydroC  device  as  a  “Plug  and  Play”  system  including  the  software,  a  sensor  manual  and  an  USB-­‐serial  adapter  as  well  as  a  connection  cable  for  configuration  or  laboratory  purposes.  The  HydroC  can  be  handled  under  water  by  one  person.  Besides  stationary  measurements  on  moorings,  it  can  be  used  for  transect  measurements  by  trawling,  scuba  divers,  on  an  AUV  or  a  ROV.  CONTROS  offers  a  wide  variety  of  power  options,  including  various  sizes  and  types  of  battery-­‐packs  and  external  power.  The  deployment  time  will  thus  depend  on  the  measuring  frequency,  use  of  external  pump  and  type  of  battery.  The  turnover  time  can  be  as  short  as  1  hour,  which  includes  downloading  data,  a  check  of  the  data  and  exchange  of  battery  pack.      Userfriendliness:  CONTROS  offers  the  HydroC  device  as  a  “Plug  and  Play”  system  including  the  software,  a  sensor  manual  and  an  USB  adapter.  The  system  shows  a  high  accuracy  (1%,  or  5  µatm).  it  has  an  internal  datalogger  and  can  be  connected  to  other  devices  (e.g.  CTD).  The  software  is  understandable  and  easy  to  use.  Data  can  be  processed  fast.  The  system  is  very  adaptable  and  CONTROS  offers  assistance  with  designing  the  optimal  configuration  for  the  desired  task.  Depth:  The  device  can  be  used  up  to  6000m  water  depth.  Size:  ø  90  x  376  mm,  4.7  kg  (2.2  kg  in  water)  Costs:  The  HydroC  device  is  commercially  available  for  around  24000  €  (Generation  II  with  Sea-­‐Bird  pump  SBE-­‐5T,  2000  m  depth  rating,  200-­‐1000  µatm,  RS  232,  +3  to  +30°C,  SubConn  connector,  internal  datalogger)  including  an  accessories  kit  (software  detect  2.0  incl.  manual,  3  spare  membranes,  USB  2.0  to  RS  232  adapter,  sensor  manual  and  certification),  cable  equipment  and  offshore  case.  5  membranes  are  available  for  500  €.  An  annual  recalibration  costs  1750  €.  

   

- GasPro  (Sapienza  University  of  Rome)    

 Figure  2:  The  Dissolved  CO2  probe  in  a  Plexiglas  housing.  

 

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 8: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

8    

Principle:  The  GasPro  is  a  small,  light-­‐weight  probe  for  long-­‐term  monitoring  of  CO2.  The  probe  can  be  deployed  in  different  configurations,  depending  on  the  environment,  site  conditions,  and  study  requirements.  These  include  cabled  probes  linked  to  a  central  communication  station  or  autonomous  loggers  with  batteries  and  internal  memory,  with  deployment  in  surface  water,  groundwater,  the  soil,  and  the  atmosphere.  Units  deployed  in  water  measure  the  partial  pressure  of  the  surrounding  dissolved  gas  using  NDIR  (non-­‐dispersive  infrared)  sensors  located  in  a  small-­‐volume  chamber  behind  a  gas  permeable  membrane.  The  model  reported  here  is  the  GasPro-­‐pCO2  for  deployment  in  marine  environments  up  to  a  depth  of  about  50m.  The  GasPro-­‐pCO2  was  developed  with  low  power  consumption  in  mind  to  allow  for  long-­‐term  deployment,  and  thus  pumps  are  not  usually  integrated  in  the  system  (although  they  can  be  added  for  short  term  deployments  when  faster  response  times  are  required).  Stability/drift:  Although  there  is  typically  no  artificial  hydrodynamics  that  can  assist  in  keeping  the  membrane  free  of  biofilm  growth,  the  type  of  membrane  material  is  rather  resistant  to  biofouling,  as  shown  in  both  oligo  to  mesotrophic  (Panarea)  and  eutrophic  (Adriatic  Sea)  deployments  over  long  periods  (e.g.  2  months).  That  said  occasional  membrane  cleaning  may  be  necessary  in  highly  eutrophic  environments  to  minimize  potential  drift.  The  sensor  does  not  offer  auto-­‐zeroing.  Temperature  range:  The  probe  operates  at  temperatures  from  0  to  40°C.  Response  time:  While  the  sensor  response  time  is  rapid,  the  unit  response  time  is  dependent  on  gas  diffusion  rates  across  the  membrane  and  equilibration  between  the  sensor  chamber  gas  volume  and  the  surrounding  water.  As  pumps  are  typically  not  used,  response  time  will  depend  on  current  conditions  and  the  concentration  gradient,  with  a  minimum  time  of  about  2  minutes  being  required.  T90  experiments  have  not  yet  been  conducted  under  different  hydrodynamic  and  gradient  conditions.    Measuring  range:  The  measuring  range  (zero  resolution  1  µatm)  is  0  to  5000  µatm  (0  to  1.7*10-­‐1  mM)  with  a  full  scale  resolution  of  15  ppm  (5.1*10-­‐4  mM).  If  required,  the  device  can  be  calibrated  to  a  full  scale  of  5%.  Life  time:  The  sensors  and  logger  are  highly  robust.  So  far  no  instrument  failure  has  been  observed  during  deployment.  No  data  on  the  total  life  time  of  the  system  is  available.  Maintenance:  The  GasPro-­‐pCO2  can  be  mounted  with  either  batteries  that  can  be  recharged  via  a  cable  mount  outside  the  unit  or  with  non-­‐rechargeable  batteries  for  long  term  deployments  The  loggers  require  2  batteries.  The  integrated  data  logger  and  low  power  consumption  (6-­‐12  VDC;  warm-­‐up  2-­‐30  min/40  mA)  of  the  sensor  make  it  suitable  for  long-­‐term  monitoring.  Sampling  frequency  can  be  user  set  at  the  fixed  rates  of  1/min,  1/10min,  1/hour,  1/day,  1/week  or  1/month.  The  data  format  is  ASCII  with  real  time  clock  information  (date,  hour,  minute,  second;  resolution:  1  sec).  Deployment:  Besides  batteries  no  exchange  of  parts  is  needed  between  deployments.  If  the  batteries  need  to  be  exchanged,  the  turnover  time  is  about  1  hour,  including  downloading  of  data  and  removal  of  biofouling.  As  described  above,  the  GasPro  can  be  used  as  stand-­‐alone  (SD-­‐card  as  removable  memory)  or  connected  to  a  modem  or  to  control  units  for  data  transmission  in  real  time.    The  total  deployment  time  for  the  stand-­‐alone  unit  depends  on  the  measurement  interval.  When  measuring  every  10  minutes,  the  batteries  will  have  sufficient  power  for  at  least  4  weeks.  When  the  interval  is  longer,  the  deployment  time  is  proportionally  longer.  If  probes  are  cabled  to  a  central  station,  power  can  be  provided  by  mains  or  by  solar  power  for  long-­‐term  deployments.    

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 9: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

9    

Userfriendliness:  As  it  is  a  prototype  no  manuals  exist.  The  software  is  simple,  the  interface  may  be  improved.  The  servicing,  calibration  and  redeployment  of  the  unit  can  be  done  by  1  person.  In  this  basic  version  no  pump  was  added.  Thus  the  battery  life  was  very  long,  the  devices  could  be  shifted  from  location  to  location  without  changing  batteries.  Depth:  Under  water  it  can  be  used  at  operation  depths  of  60  m  (standard),  100  m  or  200  m.  Size:  ø  78  x  283  mm;  0.7  kg  in  air,  slightly  positively  buoyant  in  seawater.  Costs:  The  material  costs  for  the  GasPro-­‐pCO2  are  approximately  2500  €,  hours  of  work  not  included.  The  2  batteries  for  long  deployments  cost  27  €  each.  Depending  on  both  the  housing  materials  and  the  machining  for  the  different  prototypes  the  costs  can  vary  widely.  

   

- Optodes/MuFO    

 Figure  3:  The  MuFO  system  with  100  optodes  positioned  on  a  stick  in  bundles  of  20  fibres  

each.    Principle:  The  MuFO  is  an  optical  multi  fibre  system  of  100  CO2  optodes  with  collective  read  out  of  all  sensors  simultaneously.  The  optodes  can  be  positioned  anywhere  in  the  habitat,  within  the  range  of  the  optode  length.  It  can  thus  provide  the  CO2  dynamics  in  many  sites  within  that  habitat,  including  e.g.    sediments,  watercolumn,  musselbeds,  corals,  etc.  The  measurement  principle  is  based  on  optical  chemosensing.  The  MuFO  device  consists  of  3  main  parts:  The  sensor  that  contains  a  pH-­‐sensitive  dye,  the  optical  fibres  that  guide  the  excitation/emission  light  and  the  camera  that  takes  pictures  of  the  polished  fibre  ends.  Stability/drift:  The  photostability  of  the  used  dye  is  the  limiting  factor  during  long-­‐term  measurements.  The  sensing  foils  on  the  fibre  tips  should  be  exchanged  periodically  (time  interval  depends  on  the  dye).    Temperature  range:  So  far  the  optical  sensors  of  the  prototype  were  tested  in  a  temperature  range  from  +5  to  +35°C.  Their  T-­‐dependence  is  quite  high.  Therefore  it  is  necessary  to  calibrate  at  the  same  temperature  as  the  measurement.  Response  time:  The  optical  CO2  sensors  measure  continuously.  The  response  time  (T90;  time  needed  for  90%  of  the  signal  change  to  occur)  is  1  to  2  minutes.  

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 10: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

10    

Measuring  range:  The  different  dyes  have  different  sensitivities.  The  measuring  range  of  the  optodes  can  be  adjusted  to  the  requirement  of  the  user  (starting  from  ca.  200  µatm  (6.8*10-­‐3  mM)  up  to  a  few  thousand  µatm)  by  choosing  the  suitable  dye  for  the  desired  concentration  range.  Life  time:  This  information  is  not  yet  available  as  the  MuFO  system  is  an  ongoing  development.  Maintenance:  The  batteries  of  the  MuFO  have  to  be  charged  via  cable  after  appr.  24h  of  permanent  use  (duration  of  charging:  ~10h).  The  accumulators  of  the  camera  have  to  be  recharged  or  exchanged  every  9h  (duration  of  charging:  ~2h)  and  are  the  limiting  factor  for  the  deployment  length.  Data  are  saved  to  the  SD  card  of  the  camera.  Both  for  charging  the  camera  batteries  and  downloading  the  data  the  camera  has  to  be  removed  from  the  MuFO  housing,  after  which  the  camera  has  to  be  refocused.  Thus  the  turnover  time  between  deployments  is  approximately  10  hours.  Deployment:  The  MuFO  prototype  has  an  operating  software  and  manuals  for  the  sensor  preparation,  the  calibration,  the  general  handling  and  the  software.  Connected  to  a  computer  it  can  be  controlled  manually  (e.g.  for  lab-­‐applications)  or  programmed  for  an  auto-­‐start  for  a  later  measurement  (e.g.  for  the  diving  team).  The  sensor  tips  are  flexible,  robust  and  well  protected  by  metal  sleeves.  The  contact  surface  is  very  small  (ø  ca.  1.5  mm).  Therefore,  the  optodes  can  be  used  for  profiling  too,  either  in  a  fixed  array  of  sensors,  or  by  using  a  single  optode  that  penetrates  the  sediments  step  wise.  Measurements  in  the  air  are  also  possible.  Userfriendliness:  After  long-­‐term  measurements  the  amount  of  produced  image  data  is  huge.  Therefore,  the  analysis  can  take  quite  a  long  time.  The  positioning  of  the  sensors  is  complicated.  Depth:  Up  to  now  the  optical  sensors  were  tested  in  water  depths  down  to  20  m.    Size:  ø  280  x  400  mm;  fibre  length  5-­‐6  m    Costs:  Optodes  are  not  very  expensive  (sensing  foils  cost  up  to  a  few  €  per  sensor  if  selfmade).  Price-­‐calculation  depends  strongly  on  the  material  costs  of  the  read-­‐out-­‐device.  The  material  costs  for  the  MuFO  until  now  are  around  3000  €,  hours  of  work  not  included.  

   

- Severinghaus  CO2  sensors  (Microelectrodes  Inc.,  microelectrode  MI  720)    

 Figure  4:  The  Severinghaus  CO2  sensor  microelectrode  MI  720  

 Principle:  The  Severinghaus  electrode  is  an  electrochemical  sensor  for  CO2  measurements.  It  is  a  pH  electrode  in  a  chamber  with  buffer  solution  (usually  a  1  mM  NaHCO3  solution  with  a  pH  of  8.2).  Through  a  membrane  the  CO2  concentration  in  this  chamber  can  equilibrate  with  the  sample.  The  pH  in  the  chamber  shifts  proportionally  to  the  sample  CO2  and  this  pH  is  measured.    Stability/drift:  The  sensors  have  a  tendency  to  drift  of  approximately  1  mV/day.  When  measuring  in  the  concentration  range  below  200  µM,  this  drift  is  1-­‐3  µM  per  day.  Therefore,  

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 11: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

11    

they  must  be  calibrated  regularly.  This  limits  their  application  for  long  term  monitoring,  although  they  can  well  be  used  to  monitor  dynamics.  As  the  sensing  surface  is  small,  the  sensitivity  to  biofouling  is  rather  limited.  The  sensors  behave  log-­‐linear  from  ca  3  µM-­‐30  mM,  i.c.  below  air  saturation  up  to  CO2-­‐saturated  water.  Temperature  range:  This  information  was  not  available.  Response  time:  According  to  the  specifications,  the  pCO2  microelectrode  has  a  response  time  of  less  than  1  min.  However,  stabilization  times  of  several  minutes  are  more  typical.  Therefore,  measurements  that  are  made  frequently  are  best  binned  over  3  minutes.    Measuring  range:  The  sensors  behave  log-­‐linear  from  ca  3  µM-­‐25  mM,  i.c.  below  air  saturation  to  CO2  saturated  water.  The  data  sheet  from  the  company  indicates  a  range  of  0.1-­‐100  mM  and  4.4-­‐440  ppm,  both  must  be  a  mistake.  Upon  request,  the  company  elucidated  that  the  sensors  are  tested  at  0.1  and  30%  CO2  in  a  gas  mixture.  Life  time:  The  sensors  can  be  used  for  several  weeks  to  months,  after  which  the  membrane  should  be  exchanged.  The  pH  transducer  has  a  life  time  of  appr.  1  year.  During  measurements  weak  volatile  acids  can  cause  interferences.  Maintenance:  The  maintenance  depends  on  the  electronic  loggers  on  which  they  are  mounted.  The  company  provides  an  amplifier  (MV-­‐ADPT  Millivolt  Adapter)  with  a  battery  life  of  5  years.  The  loggers  will  need  further  battery  power  for  data  acquisition  and  storage.  This  will  depend  on  the  brand  of  logger.  When  the  amplifier  MV-­‐ADPT  Millivolt  Adapter  is  used  for  the  primary  amplification,  the  battery  charging  or  exchange  depends  further  entirely  on  the  logger  system  in  which  it  is  embedded.  Also  the  downloading  of  the  data  depends  on  the  logger  system.  The  time  needed  for  maintenance  of  the  sensor  between  deployments  is  approximately  30  minutes.  The  chamber  with  membrane  has  to  be  regularly  exchanged,  which  is  a  very  simple  operation.  After  this  exchange  the  sensor  must  be  recalibrated.  Deployment:  The  servicing,  calibration  and  redeployment  can  be  done  by  1  person.  When  mounted  on  basic  loggers,  deployment  can  be  done  by  scuba  diving  or  snorkeling.  The  sensors  can  measure  in  the  water  column  and  inside  sediments.  Userfriendliness:  Electrodes  are  easy  to  handle,  exchange  of  the  membranes  is  very  simple.  Depth:  The  electrode  can  be  pressure  compensated  and  can  be  used  in  water  depths  from  at  least  2000  m.  High  pressure  will  affect  the  sensor  offset,  thus  an  in  situ  calibration  is  needed.  For  this  a  water  sample  from  the  deployment  depth  must  be  taken  and  analysed  for  pH,  DIC  and  alkalinity.  From  the  appropriate  equilibrium  values  the  total  carbonate  system  can  be  calculated,  including  the  pCO2  (Zeebe  and  Wolf-­‐Gladrow,  2001).    Size:  ø  6  x  86  mm  Costs:  A  pCO2  microelectrode  from  Microelectrodes  Inc.  is  commercially  available  for  490  USD  (≈  366  €).  Additionally,  the  costs  for  a  loggerhouse  plus  electronics  need  to  be  included.  The  preamplifier  costs  199  USD  (≈  149  €).  

       

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 12: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

12    Table  1:  Overview  of  technical  data  of  different  CO2  sensors  (i.n.a.=information  not  available).  Descriptions  of  the  principles  of  the  respective  devices  are  mentioned  above.       HydroC   Optodes/MuFO   Microelectrode        

MI  720  GasPro-­‐pCO2  

Commercial  availability  

yes   no/prototype   yes   no/prototype  

Response  time   60  s  (T63),    150  s  (T90)  

60  to  120  sec     <  60  sec   Typically  5  min.  It  depends  strongly  on  the  water  movement.  A  pump  can  be  added  to  speed  up  the  response.  

Depth  range   down  to  6000  m     20  m  (at  least)   2000  m   60  m  (standard),  100  m  or    200  m  

Costs   24000  €  (standard  version,  including  all  accessories  and  in  water  calibration)  

3000  €  material  costs  (hours  of  work  not  included)  

490  USD  (366  €)   2500  €  material  costs  (hours  of  work  not  included)  

Costs  for  maintenance/  equipment  

5  membranes  for  500  €;  Annual  maintenance  for  1750  €  

i.n.a.   Preamplifier  for  199  USD  (~149  €)  

2  batteries  for  loggers  for  27  €  each  

T-­‐range   3  to  30°C  (standard)  or    -­‐2  to  +15°C  (arctic  version)  

5  to  35°C   i.n.a.   0  to  40°C  

Profiling  inside  sediment    

No   Yes  (5  to  10  cm  depth)  

Yes  (5  cm  depth)  

No    

Robustness   very  robust   robust   i.n.a.   robust  

Stability   very  stable,  but  an  annual  recalibration  is  recommended  

limiting  factor  =  photostability  of  the  chosen  dye  

i.n.a.   very  stable,  but  daily  cleaning  because  of  biofouling  can  be  needed  

Dimensions   ø  90  x  376  mm  4.7  kg  in  air    (2.2  kg  in  water)  

ø  280  x  400  mm  fibre  length  5-­‐6  m  (slightly  positively  buoyant  in  seawater)  

ø  6  x  86  mm    

ø  78  x  283  mm  0.7  kg  in  air    (slightly  positively  buoyant  in  seawater)  

Measuring  range  

200  to  1000  µatm  (standard)  or          200  to  6000  µatm    

6-­‐200  µM  (dye  dependent)  or:  200-­‐5000  µatm  

4.4  to  440  ppm  Possibly  incorrect.  Experienced  range:  3  µM-­‐25mM  

0  to  5000  µatm  (others  available)      

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 13: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

13    

or    100-­‐1000000  µatm  

 0  -­‐  1.7*10-­‐1  mM  

       Comparison  of  pH  sensors:  In  the  following  the  different  pH  sensors  are  described  in  detail  and  a  table  (Table  2)  showing  an  overview  of  the  technical  data  is  also  added  in  the  end  of  this  section.    

- Glass  sensors  (Microelectrodes  Inc.,  microelectrodes  standard  MI  405  and  microelectrodes  combination  pH-­‐electrodes  MI  410)    

 

   

Figure  5:  pH  microelectrode  standard  MI  405  (above)  and  the  microelectrode  combination  pH-­‐electrodes  MI  410  (below).  

 Principle:  Here  the  potential  across  a  pH  permeable  membrane  that  separates  a  sample  and  a  well-­‐defined  buffer  is  measured.  Thus,  a  reference  electrode  is  needed.  A  two  point  calibration  is  sufficient.  One  can  find  a  big  assortment  of  pH  electrodes.  Here  two  types  “microelectrode  standard  MI  405”  and  “microelectrodes  combination  pH-­‐electrode  MI  410”  from  Microelectrodes  Inc.  are  described.  The  MI  410  sensors  have  an  internal  reference  inside  the  protective  needle.  However,  the  use  of  an  external  reference  is  recommended,  as  the  internal  reference  easily  seals  from  the  solution  by  grease  or  oil.  Stability/drift:  Under  ideal  storage  conditions  these  electrodes  are  long-­‐term  stable  and  can  be  used  for  appr.  1  to  2  years.  Temperature  range:  Both  types  can  be  used  in  a  temperature  range  from  -­‐5  to  +100°C.  The  signal  has  a  T-­‐dependence,  thus  calibration  must  be  done  at  measuring  temperature.  Response  time:  Both  types  show  response  times  from  5  to  15  sec.  Measuring  range:  Their  measuring  range  is  between  0  and  14,  but  rather  between  1  and  11  concerning  the  alkali/acid  error.  For  marine  applications  with  pH  ~8.1  and  pH  ~5  at  acidified  sites  this  range  is  still  well  useable.    Life  time:  This  information  was  not  available.  Maintenance:  As  with  all  pH  sensors,  they  must  be  stored  wet,  best  in  a  buffer  of  pH  7.  They  can  be  cleaned  in  0.1  M  HNO3  or  a  dilute  bleach  solution.  Deployment:  Measurements  in  the  sediment  are  possible  with  an  immersion  depth  of  1.0  mm  for  type  MI  405  and  an  immersion  depth  between  1.5  and  2.0  mm  for  microelectrode  type  MI  410.  While  they  are  steel  enforced  these  glass  electrodes  do  not  easily  break.  Userfriendliness:  Electrodes  are  easy  to  handle.    

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 14: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

14    

Depth:  This  information  was  not  available.  Size:  ø  6  x  150  mm  (MI  410);  ø  2  x  146  mm  (MI  405)  Costs:  Microelectrodes  for  pH  measurements  are  available  for  200  to  500  USD  (≈166  to  373  €),  e.g.  type  MI  405  for  210  USD  and  type  MI  410  for  325  USD.    

 - Optodes/MuFO  

Principle:  The  principle  of  the  MuFO  system  was  described  before  (see  CO2  sensors).    Stability/drift:  During  long-­‐term  measurements  the  photostability  of  the  used  dyes  is  the  limiting  factor.  Sensing  foils  on  the  optical  fiber  tips  should  be  exchanged  periodically  (time  interval  depends  on  the  dye).    Temperature  range:  The  pH  sensors  were  tested  in  a  temperature  range  between  +5  and  +35°C.  They  also  suffer  from  T-­‐dependence.  Thus  calibration  should  be  carried  out  at  the  same  temperature  as  the  measurement  using  a  thermostated  waterbath  for  the  calibration  solution.  Response  time:  Optodes  in  principle  measure  continuously.  Exposed  to  a  certain  pH  the  response  times  can  vary  between  sec  and  min.  This  depends  on  the  chosen  dye,  the  chosen  matrix,  the  temperature  and  the  layer  thickness.  Measuring  range:  Concerning  the  measuring  range  optodes  are  very  flexible.  Depending  on  the  dye,  that  is  used  the  measuring  range  can  be  tuned  individually  to  the  requirement  of  the  user.  In  general  a  pH  range  from  ±1  outgoing  from  the  pKa-­‐value  of  the  dye  can  be  measured.  A  combination  of  two  or  more  dyes  with  different  dynamic  ranges  can  cover  a  much  broader  dynamic  range,  but  the  calibration  of  the  sensor  becomes  more  complicated.  Life  time:  This  information  is  not  yet  available  as  the  MuFO  system  is  a  prototype  in  continuous  development.  Maintenance:  The  accumulators  of  the  MuFO  have  to  be  charged  via  cable  after  appr.  24h  of  permanent  use  (duration  of  charging:  ~10h).  The  accumulators  of  the  camera  have  to  be  recharged  or  exchanged  every  9h  (duration  of  charging:  ~2h)  and  are  the  limiting  factor  for  measurements.  Data  are  saved  to  the  SD  card  of  the  camera.  Both  for  charging  the  camera  batteries  and  downloading  the  data  the  camera  has  to  be  removed  from  the  MuFO  housing.  After  this  operation  the  camera  has  to  be  refocused.  Deployment:  The  MuFO  prototype  has  operation  software,  manuals  for  the  sensor  preparation,  the  calibration,  general  handling  and  for  the  software.  Connected  to  a  computer  it  can  be  controlled  manually  via  the  computer  (e.g.  for  lab-­‐applications)  or  programmed  for  an  auto-­‐start  for  a  later  measurement  (e.g.  for  the  diving  team).  The  sensor  tips  are  flexible,  robust  and  well  protected  by  metal  sleeves.  The  contact  surface  is  very  small  (ø  ca.  1.5  mm).  Therefore  measurements  in  the  sediment  with  an  immersion  depth  down  to  a  few  cm  are  possible.  Measurements  in  the  air  are  also  possible.  Userfriendliness:  After  long-­‐term  measurements  the  amount  of  produced  data  is  huge.  Therefore,  the  analysis  can  take  quite  a  long  time.  Depth:  The  optical  pH  sensors  have  not  been  tested  at  larger  depths  up  to  now.  Size:  ø  280  x  400  mm;  fibre  length  5-­‐6  m    Costs:  Optodes  in  general  are  not  expensive  (sensing  foils  up  to  a  few  €  material  costs  if  selfmade).  Price-­‐calculation  depends  strongly  on  the  material  costs  of  the  read-­‐out-­‐device.  The  material  costs  for  the  MuFO  until  now  are  around  3000  €,  hours  of  work  not  included.      

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 15: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

15    

- Isfets  (ion-­‐selective  field-­‐effect  transistor,  SeaFET  from  Satlantic)  

 Figure  6:  The  SeaFET  device  for  pH  measurements  from  Satlantic.  

 Principle:  SeaFET  uses  ISFET  technology  for  pH  monitoring.  An  ISFET  is  an  ion-­‐selective  field  effect  transistor  used  for  measuring  ion  concentrations  in  solution.  Here  the  current  through  the  transistor  will  change  when  the  ion  concentration  changes.  An  ISFET  electrode  sensitive  to  H+  ion  concentration  can  be  used  as  a  conventional  glass  electrode  to  measure  the  pH  of  a  solution.    Stability/drift:  SeaFET  shows  a  typical  change  of  0.005  pH  unit/month.  In  fact,  after  one  year  in  use  the  deviation  of  the  measured  pH  is  approximately  0.06  pH  unit.  An  annual  maintenance  is  recommended.  Temperature  range:  Measurements  can  be  carried  out  in  a  temperature  range  between  0  and  55°C.  The  calculated  pH  is  temperature  dependent.  Therefore,  a  thermistor  is  attached  very  close  to  the  ISFET  where  the  measurement  is  taken.  Response  time:  The  stabilization  time  if  exposed  to  a  different  pH  is  up  to  20  sec.  Measuring  range:  The  device  measures  from  pH  2  to  pH  12  with  an  initial  accuracy  from  0.01  pH  unit  and  a  precision  better  than  0.001  pH  unit  (in  a  salinity  range  from  10  to  40  PSU).  Life  time:  Not  known  Maintenance:  The  device  has  an  internal  memory  of  2  GB,  an  internal  battery  set  (10.5  V  19.8  Ah)  and  its  power  consumption  is  quite  low  with  20  mA  while  it  is  operating  and  3.5  mA  during  the  standby  mode.  If  the  external  voltage  is  higher,  an  external  supply  supersedes  the  internal  battery.  It  communicates  via  USB  2.0  and  RS-­‐232.    Deployment:  It  was  slightly  positive  buoyant  in  water.  Therefore,  divers  have  to  add  some  weight  to  use  the  device  under  water.  The  device  can  be  operated  with  four  different  modes:  a  continuous  mode  (samples  ~0.3Hz),  a  scheduled  mode  (operates  on  internally  stored  schedule),  a  polled  mode  (responds  to  data  logger  commands)  and  a  sample  averaging  mode  where  it  calculates  the  mean  of  1  to  100  samples.  The  calibration  is  carried  out  via  spectrophotometric  determination  of  pH  referenced  to  a  certified  TRIS  (tris(hydroxymethyl)aminomethane)  buffer.    Userfriendliness:  The  SeaFET  technology  can  be  used  in  many  areas,  e.g.  industrial,  clinical  and  environmental  pH  monitoring.  The  SeaFET  itself  measures  pH  accurately  in  both  marine  and  freshwater  environments.  Depth:  SeaFET  can  be  used  in  water  depths  down  to  70  m.    Size:  ø  114  (4.5”)  x  406  mm  (16”);  4.1  kg  in  air  Costs:  The  SeaFET  device  itself  is  available  for  appr.  10000  USD  (~7520  €).  Accessories  like  a  copper  foul  guard,  a  spare  battery  set,  USB  programming  cable  and  other  possible  interconnect  cables  are  available  from  Satlantic,  too.  An  annual  maintenance  costs  1150  USD  (~865  €).  It  includes  the  instrument  cleaning,  an  inspection  and  a  calibration.    

       

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 16: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

16    Table  2:  Overview  of  technical  data  of  different  pH  sensors  (i.n.a.=information  not  available).  Descriptions  of  the  principles  of  the  respective  devices  are  mentioned  above.    

  Glass  electrodes  (Microelectrodes  types  MI  405  and  MI  410)                  

Optodes/MuFO   ISFETS  

Commercial  availability  

yes   no/prototype   yes  

Response  time   5  to  15  sec   few  sec  to  few  min   20  sec  Depth  range   i.n.a.   i.n.a.   70  m  (max.)  Costs   MI  405  for  210  

USD  (156  €)  MI  410  for  325  USD  (243  €)  Others:    200  to  500  USD      (~150  to  373  €)  

3000  €  material  costs  (hours  of  work  not  included)  

10000  USD        (~7520  €)  

Costs  for  maintenance/  equipment  

i.n.a.   i.n.a.   annual  maintenance  for  1150  USD  (~865  €)  

T-­‐range    -­‐5  to  +100°C     5  to  35°C   0  to  55°C  Profiling  inside  sediment  

Yes  (5  to  10  cm  depth)  

Yes  (5  to  10  cm  depth)  

No  

Robustness   robust  (while  steel  enforced)  

robust   robust  

Stability   very  stable,  can  be  used  for  1-­‐2  years  

limiting  factor  =  photostability  of  the  chosen  dye  

0.005  pH/month  0.06  pH/year  an  annual  recalibration  is  recommended  

Dimensions   ø  6  x  150  mm  for  MI  410  ø  2  x  146  mm  for  MI  405    

ø  280  x  400  mm  fibre  length  5-­‐6  m  (slightly  positively  buoyant  in  seawater)  

ø  114  x  406  mm    4.1  kg  in  air  (slightly  positively  buoyant  in  seawater)  

Measuring  range  

0  to  14        (effectively  1  to  11)  

dye  dependent  =>  pKa  ±  1  

2  to  12  

           

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 17: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

17    Experiences  from  users  In  2012  the  compared  devices  CONTROS  HydroC-­‐CO2,  Optodes  (MuFO),  the  GasPro-­‐pCO2  and  a  profiler  equipped  with  different  glass  electrodes  were  tested  all  together  at  Panarea  (southern  Tyrrhenian  Sea,  Italy).  In  this  submarine  exhalative  field  located  east  of  Panarea  Island,  the  devices  were  tested  at  different  sites,  with  different  geochemical  characteristics.  Sites  with  and  without  CO2  venting  were  studied.  The  diving  teams  operating  with  the  devices  were  from  the  Hydra  Institute  (Elba,  Italy)  and  GEOMAR/CONTROS  (Kiel).  The  GasPro-­‐pCO2  was  also  used  during  a  field  trip  to  CO2  seeps  in  a  coral  reef  in  New  Guinee.  The  MuFO  was  additionally  used  in  SAMS  in  a  labexperiment.  The  divers  and  scientists  gave  the  following  feedback:    The  HydroC  device  from  CONTROS  was  small  and  very  well  manageable  under  water  for  the  divers.  On  one  occasion  the  battery  was  incorrectly  connected  and  in  consequence  the  device  did  not  log  data.  In  the  meantime  measures  have  been  taken  to  avoid  this  problem.  The  very  short  response  time  allowed  to  measure  the  dynamics  better  than  the  GasPro-­‐pCO2.  However,  also  on  the  GasPro-­‐pCO2  a  pump  can  be  mounted,  resulting  in  similar  response  times.  The  GasPro-­‐pCO2  probe  was  easy  to  handle,  because  of  its  small  dimensions.  Because  of  its  low  weight  it  floated  and  the  divers  had  to  put  an  additional  weight  on  the  device.  Near  seeps  with  strongly  reducing  fluid  chemistry  biofouling  occurred  on  the  membrane,  that  had  to  be  removed  every  3  days.  It  should  be  remarked  that  all  sensors  suffered  from  biofouling  near  these  seeps.  Use  of  an  external  pump  would  have  reduced  biofouling  of  the  membrane.  Biofouling  is  most  easily  removed  with  freshwater.  On  one  occasion  a  logger  had  stopped  after  10  measurements.  A  file  with  settings  appeared  empty,  probably  due  to  mishandling  of  the  software.  The  file  was  replaced  with  one  from  another  logger,  after  which  the  problem  was  solved.  The  problem  did  not  reoccur.  The  HydroC  and  GasPro-­‐pCO2  are  comparable  devices.  The  HydroC  is  more  expensive,  but  this  version  with  pump  has  a  shorter  response  time,  is  supported  by  the  services  of  a  company,  can  be  auto-­‐zeroed  to  compensate  for  drift  and  can  be  used  at  much  larger  depths.  The  tested  version  of  the  GasPro-­‐pCO2  was  a  low  cost  solution  with  basic  (and  reliable)  performance,  therefore  can  be  used  in  larger  numbers,  e.g.  to  monitor  CO2  dynamics  in  a  heterogeneous  habitat  surrounding  a  seep.  Also  the  GasPro-­‐pCO2  can  be  equipped  with  a  pump  to  reduce  response  times.  Obviously,  the  use  of  pumps  will  compromise  the  battery  life  and  thereby  user-­‐friendliness.  Both  systems  are  versatile  with  respect  to  power  solutions;  different  batteries  or  external  power  supplies  can  be  used.    On  land  the  MuFO  system  was  difficult  to  handle,  because  of  the  5-­‐6m  long  optodes  and  the  weight.  Later  the  optical  fibers  were  fixed  to  a  frame,  which  made  handling  and  deployment  easier.  The  MuFO  was  slightly  positive  buoyant  in  water,  so  the  divers  had  to  add  weight  to  position  it  on  the  seafloor.  These  weights  made  it  extra  heavy  on  land.  In  2013  the  MuFO  system  was  tested  by  Anna  Lichtschlag  and  Peter  Taylor  at  SAMS  (Scottish  Association  for  Marine  Science)  in  a  lab  experiment.  They  gave  the  following  feedback:  In  principle  the  system  was  good  to  handle.  The  battery  change  was  complicated,  because  they  had  to  put  the  camera  out  of  the  device  every  time.  After  changing  the  batteries  of  the  camera  it  had  to  be  focused  again.  The  software  was  easy  to  understand  and  to  handle,  but  the  amount  of  data  is  huge  and  therefore  it  takes  a  long  time  to  analyze  the  data.  The  microsensor  profiler  with  the  Severinghaus  pCO2  sensor  is  big  and  heavy  on  land.  The  divers  found  it  difficult  to  transport,  and  care  had  to  taken  to  prevent  breaking  of  the  electrodes  on  the  bottom.  Under  water  it  was  easy  to  handle  except  in  case  of  high  current.  The  profiler  is  designed  for  deployments  by  winch  from  research  vessels  and  can  be  mounted  with  10  different  sensors.  However,  it  is  not  the  most  elegant  solution  for  divers.  It  is  possible  to  mount  the  electrodes  on  small  loggers  that  can  easily  be  handled  by  divers.  The  CO2  electrode  from  Microelectrodes  Inc.  suffered  from  more  drift  than  the  CONTROS  and  GasPro  devices.  Advantage  is  that  it  can  be  used  for  profiling,  and  thus  can  obtain  data  from  inside  the  sediments  and  can  be  coupled  to  benthic  (micro)biology.  

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 18: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

18    Another  advantage  is  its  price  and  ease  of  maintenance.  Also,  it  can  be  easily  mounted  on  a  multisensor  logger,  thus  the  CO2  signals  can  be  compared  with  other  parameters.                  

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 19: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

19    Literature    Borisov,  S.M.,  Gatterer,  K.,  Bitschnau,  B.,  Klimant,  I.,  2010a.  Preparation  and  Characterization  of   Chromium(III)-­‐Activated  Yttrium  Aluminum  Borate:  A  New  Thermographic  Phosphor  for  Optical   Sensing  and  Imaging  at  Ambient  Temperatures.  J.  Phys.  Chem.  C  114,  9118-­‐9124.  Borisov,  S.M.,  Klimant,  I.,  2007.  Ultrabright  Oxygen  Optodes  Based  on  Cyclometalated  Iridium(III)   Coumarin  Complexes.  Anal  Chem  79,  7501-­‐7509.  Borisov,  S.M.,  Nuss,  G.,  Klimant,  I.,  2008.  Red  Light-­‐Excitable  Oxygen  Sensing  Materials  Based  on   Platinum(II)  and  Palladium(II)  Benzoporphyrins.  Anal  Chem  80,  9435-­‐9442.  Borisov,  S.M.,  Zenkl,  G.,  Klimant,  I.,  2010b.  Phosphorescent  Platinum(II)  and  Palladium(II)  Complexes   with  Azatetrabenzoporphyrins—New  Red  Laser  Diode-­‐Compatible  Indicators  for  Optical  Oxygen  Sensing.  ACS  applied  materials  &  interfaces  2,  366-­‐374.  Byrne,  R.H.,  DeGrandpre,  M.D.,  Short,  R.T.,  Martz,  T.R.,  Merlivat,  L.,  McNeil,  C.,  Sayles,  F.L.,  Bell,  R.,   Fietzek,  P.,  2010.  Sensors  and  Systems  for  in  situ  Observations  of  Marine  Carbon  Dioxide  System   Variables,  in:  Hall,  J.,  Harrison,  D.E.,  Stammer,  D.  (Eds.),  Proceedings  of  OceanObs’09:  Sustained   Ocean  Observations  and  Information  for  Society.  ESA  Publication,  WPP-­‐306  .  OceanObs'09,  Venice,  p.   8.  Camilli,  R.,  Duryea,  A.,  2007.  Chracaterizing  marine  hydrocarbons  with  in-­‐situ  mass  spectrometry,   IEEE  Oceans,  Vancouver.  DeGrandpre,  M.D.,  Hammar,  T.R.,  Smith,  S.P.,  Sayles,  F.L.,  1995.  In  situ  measurements  of  seawater   pCO2.  Limnol.Oceanogr.  40,  969-­‐975.  Fiedler,  B.,  Fietzek,  P.,  Vieira,  N.,  Silva,  P.,  Bittig,  H.C.,  Körtzinger,  A.,  2013.  In  situ  CO2  and  O2   measurements  on  a  profiling  float  Journal  of  Atmospheric  and  Oceanic  Technology  30,  112-­‐126.  Fietzek,  P.,  Fiedler,  B.,  Steinhoff,  T.,  Körtzinger,  A.,  2013.  In  situ  quality  assessment  of  a  novel   underwater  pCO2  sensor  based  on  membrane  equilibration  and  NDIR  spectrometry.  J.  Atmos.   Oceanic  Technol.,  in  press.  Fischer,  J.P.,  Koop-­‐Jakobsen,  K.,  2012.  The  multiple  fibre  optode  (MuFO)  –  a  novel  system  for   simultaneous  analysis  of  multiple  fibre  optic  oxygen  sensors.  Sensors  and  Actuators  B:  Chemical  168,   354-­‐359.  Hübert,  T.,  Boon-­‐Brett,  L.,  Blackb,  G.,  Banacha,  U.,  2011.  Hydrogen  sensors  –  A  review.  Sensors  and   Actuators  B:  Chemical  157,  329–352.  Jeroschewski,  P.,  Steukart,  C.,  Kühl,  M.,  1996.  An  amperometric  microsensor  for  the  determination  of   H2S  in  aquatic  environments.  Anal.  Chem.  68,  4351-­‐4357.  Kühl,  M.,  Cohen,  Y.,  Dalsgaard,  T.,  Jørgensen,  B.B.,  Revsbech,  N.P.,  1995.  Microenvironment  and   photosynthesis  of  zooxantella  in  scleractinian  corals  studied  with  microsensors  for  O2,  pH  and  light.   Mar.  Ecol.  Prog.  Ser.  117,  159-­‐172.  Le  Bris,  N.,  Sarradin,  P.M.,  Caprais,  J.C.,  2003.  Contrasted  sulphide  chemistries  in  the  environment  of   13  degree  NEPR  vent  fauna.  Deep-­‐Sea  Res.  Part  1  50,  737-­‐747.  Lefèvre,  N.,  Ciabrini,  J.P.,  Michard,  G.,  Brient,  B.,  DuChaffaut,  M.,  Merlivat,  L.,  1993.  A  new  optical   sensor  for  pCO2  measurements  in  seawater.  Mar.  Chem  42,  189–198.  Luther  III,  G.W.,  2002.  Voltammetric  solid-­‐state  (micro)electrodes:  a  powerful  tool  for  studying   biogeochemistry  processes  in  real  time.  Geochemical  news  113,  14-­‐19.  McMutrtry,  G.M.,  Wiltshire,  J.C.,  Bossuyt,  A.,  2005.  Hydrocarbon  seep  monitoring  using  in  situ  deep   sea  mass  spectrometry.  IEEE,  395-­‐400.  Millero,  F.J.,  1986.  The  thermodynamics  and  kinetics  of  the  hydrogen  sulfide  system  in  natural   waters.  Mar.  Chem.  18,  121-­‐147.  

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________
Page 20: D3 2-ECO2 final-2 - GEOMARoceanrep.geomar.de/22454/1/ECO2 D3.2.pdf · ECO2project%number:%265847% % 2 % 6)% % % & _____

ECO2  project  number:  265847  

20    Revsbech,  N.P.,  Jørgensen,  B.B.,  1986.  Microelectrodes:  their  use  in  microbial  ecology.  Adv.Microbial   Ecol.  9,  293-­‐352.  Revsbech,  N.P.,  Thamdrup,  B.,  Dalsgaard,  T.,  Canfield,  D.E.,  2011.  Construction  of  STOX  oxygen   sensors  and  their  application  for  determination  of  O2  concentrations  in  oxygen  minimum  zones.   Methods  Enzymol.  486,  325-­‐341.  Severinghaus,  J.W.,  Bradley,  A.F.,  1958.  Electrodes  for  blood  pO2  and  pCO2  determination.  J.  Appl.   Physiol.  13,  515-­‐520.  Stumm,  W.,  1984.  Interpretation  and  measurement  of  redox  intensity  in  natal  waters.  Schweiz  Z   Hydrol.  46,  291-­‐296.  Zeebe,  R.E.,  Wolf-­‐Gladrow,  D.,  2001.  CO2  in  seawater:  equilibrium,  kinetics  and  isotopes.  Elsevier,   Amsterdam.  

 

 

areitz
Schreibmaschinentext
_______________________________________________________________________________